汽車技術(shù)發(fā)展趨勢——輕量化

汽車輕量化是在保證汽車使用、安全性能和成本控制要求的前提下，將結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及制造技術(shù)與多種輕量化材料進行集成應(yīng)用，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性、減少燃料消耗、降低排氣污染。有實驗表明：汽車的整備質(zhì)量降低10%可使燃油效率提高6-8%，每減少100公斤可使百公里油耗降低0.3-0.6升、CO₂排放減少5克/公里。因此，出于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，而采用輕量化材料是汽車輕量化發(fā)展的主要方向。其中，高性能纖維復(fù)合材料和熱塑性彈性體等作為汽車輕量化的關(guān)鍵材料，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛并具有很好的發(fā)展前景。

 

高性能纖維復(fù)合材料——將汽車輕量化夢想變?yōu)楝F(xiàn)實

碳纖維是含碳量90%以上的纖維狀碳素材料，比重不到鋼的1/4，抗拉強度是鋼的7-9倍，即使處于2000℃的高溫惰性環(huán)境也不會降低強度，兼具質(zhì)量輕、強度高、可設(shè)計性強、阻尼高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊等優(yōu)異特性。歐美日等發(fā)達國家的汽車生產(chǎn)巨頭們一直是汽車輕量化用碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）的引領(lǐng)者和推動者。采用碳纖維增強聚合物等復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的金屬材料，能使汽車的底盤和車身減重40%-60%，其應(yīng)用范圍已從最初的蘭博基尼、法拉利等高端運動型跑車逐步擴展至寶馬、奔馳等高端轎車，并將繼續(xù)延伸至普通轎車及大型客車等領(lǐng)域；全碳纖輪轂和碳纖輪輞+合金輪輻的重量比鍛造合金輪轂分別輕35％和25％，可顯著降低整車的重量；CFRP制動盤的制動穩(wěn)定性能十分優(yōu)異，可在50m距離內(nèi)將汽車的行駛速度由300km/h減至50km/h，并不受此過程中制動盤溫度急劇上升至900℃的影響。

寶馬是CFRP在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的先驅(qū)，率先開啟了CFRP在車身、內(nèi)飾和外飾件等全方位應(yīng)用模式；豐田、大眾、奔馳、現(xiàn)代等多家汽車制造商也相繼將CFRP應(yīng)用于多種汽車部件，包括車身、底盤、輪轂、車頂、車門、制動盤、引擎蓋、尾翼、中控臺、裝飾條、儀表盤、傳動軸、座椅、尾擾流板、后視鏡外殼、懸掛臂、遮陽罩、側(cè)護板、低位踏板、燃料電池反應(yīng)堆框架等。受益于國家戰(zhàn)略規(guī)劃及政策扶持，我國的大批企業(yè)也開展了碳纖維在汽車輕量化方面的應(yīng)用研究：奧新新能源、奇瑞汽車、長城華冠等公司均成功研發(fā)了CFRP電動汽車，并正努力實現(xiàn)低成本及批量化生產(chǎn)；北京汽車、上汽集團、長安汽車、中國一汽等也在碳纖維發(fā)動機罩蓋、車頂蓋、前格柵、尾翼、傳動軸、后舉門、板簧等部件的研發(fā)及生產(chǎn)方面取得了重大進展。

以熱塑性或熱固性樹脂等作為基體的玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）質(zhì)輕、高強、絕熱、隔音、防水、易著色、成型方便，已被用于制造轎車、客車、貨車等車身及多種配件，達到了減輕自重、提高車輛重量利用系數(shù)的效果。歐美日等發(fā)達國家的所有車種現(xiàn)均大量使用SMC復(fù)合材料，包括懸架零件、車身、內(nèi)飾件等，其中以保險杠、車頂、前臉部件、發(fā)動機罩、隔音板等部件的用量最大；而汽車領(lǐng)域如今對材料輕質(zhì)、可回收性及加工便利性的迫切需求，推動了主要用于汽車保險杠的玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料（GMT）的市場份額不斷增長。

屬于天然纖維的竹纖維、麻纖維、木纖維、棉纖維等，具有環(huán)境友好性和可再生性等優(yōu)點。竹纖維增強復(fù)合材料兼具輕質(zhì)、高強度及高剛度等性能，其制備的汽車內(nèi)飾板在發(fā)生事故時因竹纖維獨特的韌性而不易損壞，且制成品質(zhì)量可減輕20％；將大麻、亞麻等纖維作為增強纖維添加至聚合物中得到的木塑復(fù)合材料，可經(jīng)過模壓或注塑制作門和座椅等汽車部件；此外，通過加強筋提高天然纖維零部件的強度后，可生產(chǎn)制造座椅骨架、座椅扶手、儀表盤、發(fā)動機罩、側(cè)面碰撞保護用附件、底盤部件等。

合成纖維種類繁多，常見的有滌綸、錦綸、芳綸、腈綸、氨綸等，新型合成纖維制品不僅可達到相關(guān)的纖維強度指標，還具備良好的色牢度、透氣、阻燃、吸濕、耐起球、防靜電等優(yōu)點，滿足了現(xiàn)代汽車對安全性、舒適性、經(jīng)濟耐用性和穩(wěn)定性的要求，廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾，如座椅面料、安全帶、安全氣囊等。

熱塑性彈性體——助力汽車輕量化加速騰飛

根據(jù)彈性體是否可塑化，可以將彈性體分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性彈性體即傳統(tǒng)意義的橡膠；熱塑性彈性體（TPE）包括苯乙烯類、聚烯烴類、聚氨酯類、聚酯類、聚酰胺類等。TPE兼具塑料的可塑性和橡膠的彈性，可回收利用、機械性能好、加工便捷、耐候性及耐老化性優(yōu)異。近年來，采用填充、共混、增容、嵌段共聚、化學(xué)接枝、共交聯(lián)、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）等合成與加工改性技術(shù)，為開發(fā)更多的TPE產(chǎn)品奠定了良好基礎(chǔ)。汽車零部件采用TPE材料不僅可以減少重量，提高零部件性能及整車回收利用率，還能改善外觀，因此自20世紀90年代以來，TPE在汽車領(lǐng)域的用量增長很快并逐步取代了傳統(tǒng)橡膠材料。汽車輕量化及全球范圍內(nèi)汽車燃油經(jīng)濟性標準愈發(fā)嚴格，是推動全球TPE需求量增長的主要因素之一，未來五年內(nèi)TPE將有平均5.5%的綜合增長率。作為全球最大TPE市場的亞太地區(qū)，預(yù)測2022年有望達到78.2億美元。

苯乙烯類熱塑性彈性體（TPS）是TPE的鼻祖，其硬端由苯乙烯類組成，軟端由聚丁二烯等組成，是目前世界上產(chǎn)量最大、發(fā)展最快的一種熱塑性彈性體。經(jīng)飽和加氫制成的TPS-SEBS等具有優(yōu)異的耐臭氧、耐氧化、耐紫外線和戶外耐候性能，且在非動態(tài)用途方面可與乙丙橡膠媲美，用于密封條、換檔手柄手球、制動手柄、裝飾條等汽車部件。

熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）由橡膠和聚烯烴構(gòu)成，橡膠組分為三元乙丙橡膠（EPDM）、丁腈橡膠（NBR）和丁基橡膠（IIR），聚烯烴組分主要為聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。TPO和動態(tài)硫化熱塑性聚烯烴彈性體（TPV）由于具有耐磨、耐候、耐沖擊、耐水、耐酸堿、耐臭氧、耐紫外線等優(yōu)異性能，最大應(yīng)用領(lǐng)域為汽車配件制造行業(yè)，用量最多的有EPDM/PP和NBR/PP兩類，可通過多種加工手段（如擠出、共擠出、注塑等）滿足不同制品的要求。隨著汽車向高性能、長壽命及輕量化發(fā)展，汽車部件采用TPO/TPV取代傳統(tǒng)熱固性硫化膠的速度越來越快，功能化TPO/TPV的開發(fā)進一步拓展了其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在汽車密封系統(tǒng)，TPO/TPV主要應(yīng)用于擋風(fēng)玻璃密封條、三角窗密封條、玻璃導(dǎo)槽、雨刮條、大燈密封圈、油箱蓋密封圈等；在汽車發(fā)動機系統(tǒng)，TPO/TPV的應(yīng)用包括空氣導(dǎo)管、燃料管防護罩、電氣接線套等；在汽車外飾件系統(tǒng)，可將TPO/TPV應(yīng)用于保險杠、散熱器格柵、車身外板、車輪護罩、擋泥板、車門檻板、車牌照板、車側(cè)鑲條等；在汽車內(nèi)飾件系統(tǒng)，TPO/TPV主要用于儀表板、內(nèi)飾板蒙皮、扶手、安全氣囊外皮層材料等；此外，TPO/TPV還可在底盤及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于等速萬向節(jié)保護罩、齒條和小齒輪防護罩、軸架懸置防護罩等。

聚氨酯類熱塑性彈性體（TPU）是由異氰酸酯、聚醚（或聚酯）大分子多元醇與小分子擴鏈劑構(gòu)成的嵌段共聚體。TPU機械強度高、硬度范圍廣、濾震性出色、粘接力強、隔音、耐磨、耐油、耐水、耐屈撓、耐老化等性能優(yōu)異，但耐熱性和耐壓縮性較差、外觀易變黃。由歐洲、亞太和美國主導(dǎo)的全球TPU市場，預(yù)測到2020年價值有望超過730億美元。汽車塑料件的發(fā)展趨勢是不斷推出高性價比且可回收再生的材料，促進了TPU廣泛應(yīng)用于汽車的多種部件，包括輪胎、座椅、頭枕、地墊、儀表盤、遮陽板、門板、換檔拉桿手柄手球、減震墊、軸套、氣囊、隔音降噪及密封材料等。

聚酯類熱塑性彈性體（TPEE）屬于線型嵌段共聚物，機械強度高且耐疲勞、耐油、耐候等性能優(yōu)異，但耐熱水性較差。TPEE常用于進氣軟管、轉(zhuǎn)向節(jié)防塵罩、安全氣囊、密封圈、齒輪齒帶、油管、安全帶部件、前照燈、門鎖、衛(wèi)星天線卡箍、門把手密封環(huán)等汽車部件。

 

結(jié)束語——汽車輕量化擁有輝煌未來

高性能纖維復(fù)合材料和熱塑性彈性體憑借自身的優(yōu)異性能，為汽車各部件制造提供了重要的材料支撐，大力促進了汽車輕量化的發(fā)展進程。全球范圍內(nèi)對輕量化材料的不斷開發(fā)及改進，將進一步降低汽車系統(tǒng)成本、減輕整備質(zhì)量、提高部件性能及回收利用率等，為汽車輕量化營造輝煌未來。

201 7年7月16日
文/五行科技科技創(chuàng)新辦 ? ? 陳俊琛